Technologie

Wie Metalle erstarren

14.03.2019 - 3D-Röntgentomoskopie erlaubt Analyse von Erstarrungsprozessen in Echtzeit.

Wenn man Metall dabei zuschaut, wie es erstarrt, sieht es so aus, als ob lauter kleine Bäume wachsen. Diese Strukturen heißen Dendriten. Deshalb spricht die Wissenschaft auch von dendritischem Wachstum. Dieser Prozess des Erstarrens ist hochkomplex und teilweise noch unverstanden. Wer zuschauen will, benötigt allerdings Röntgenstrahlen, denn nur diese durchdringen Metall. Für die Entschlüsselung des Erstarrungs­prozesses steht mit der 3D-Röntgen­tomoskopie jetzt eine geeignete Methode zur Verfügung, denn das Dendriten­wachstum ist ein dreidimensionaler Vorgang und er verläuft rasend schnell.

Die 3D-Röntgentomoskopie ist extrem schnell. Fünfzig Tomogramme pro Sekunde können die Mitarbeiter von John Banhart im Moment aufnehmen. Das ist Weltrekord. „Aber für das Dendriten­wachstum ist es noch nicht schnell genug“, sagt der Leiter des TU-Fachgebietes Struktur und Eigenschaften von Materialien. „Wir wollen tausend Tomogramme pro Sekunde schaffen und damit erstmals die Tomoskopie auch auf den Erstarrungs­prozess von Metallen anwenden, um ihn besser zu verstehen.“ Den Begriff der Tomoskopie hat Banharts Team erst vor Kurzem geprägt. Die Wissenschaftler wollen damit die enorme Schnelligkeit ausdrücken, die sie mittlerweile erreichen, und sich von der langsameren Vorstufe – der 3D-Tomografie – auch sprachlich absetzen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) stufte diese Forschungen als „besonders innovativ“ ein und bewilligte ein „Reinhart-Koselleck-Projekt“. Mit dieser DFG-Förderlinie erhalten durch ihre wissenschaftliche Leistung ausgewiesene Forscher die Möglichkeit, sich risikobehafteten Vorhaben widmen zu können. Finanziert wird das Reinhart-Koselleck-Projekt von John Banhart von der DFG über fünf Jahre mit insgesamt 750.000 Euro.

Bei der 3D-Tomoskopie werden dreidimensionale Röntgen­tomogramme in Bruchteilen von Sekunden aufgenommen und zu einem 3D-Film verarbeitet. Mit der Anwendung der 3D-Röntgen­tomoskopie auf die Untersuchung von Metallschäumen haben John Banhart und seine Arbeitsgruppe bereits einschlägige Erfahrungen. Angewendet wird dieses Material zum Beispiel für Dämpfungs­elemente im Maschinenbau und im Leichtbau. Auch gibt es erste Ansätze, Motoren in Elektro­fahrzeugen in Metallschaum zu verpacken, um sie vor eindringenden Gegenständen zu schützen, die einen Kurzschluss und damit eine Explosion auslösen könnten.

Wie fast jeder Schaum hat auch Metallschaum die Tendenz, nicht beständig zu sein. Der schöne Bierschaum verschwindet schneller, als einem lieb ist, und in der Badewanne kann man dem Platzen der Schaumblasen buchstäblich zusehen. Träume sind Schäume, heißt es deshalb auch im Volksmund. Diese Unbeständigkeit von Schaum macht auch Materialwissenschaftlern wie John Banhart zu schaffen. „Metallschäume werden aus einem Metallpulver und einem Treibmittel hergestellt. Das Treibmittel ist ebenfalls ein Pulver aus Metall und Wasserstoff. Beides wird miteinander vermischt, verdichtet und erhitzt und dabei setzt das Treibmittel Wasserstoff frei, wodurch das Gemisch aufgeschäumt wird. Während des Erstarrungs­prozesses platzen die Blasen und wachsen zu größeren zusammen. Das ist ein unerwünschter Prozess, weil sich dadurch die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtern“, erklärt John Banhart. Mit Hilfe der 3D-Tomoskopie ist es seiner Gruppe gelungen zu beschreiben, warum die Blasen platzen: Die Ursache sind lokale Druckerhöhungen um die Treibmittel­teilchen herum. „Deshalb forschen wir daran, ein neues Treibmittel zu finden, das sich in dem Metall gleichmäßiger verteilt und den Schaum sanfter erzeugt“, so Banhart.

Eine weitere Anwendung der Tomoskopie sind Prozesse, bei denen mittels eines Laserstrahls Metall in sehr kurzer Zeit geschmolzen wird. Dies kann das Laserstrahl­schweißen und -schneiden sein, aber auch die additive Fertigung, wo Material schichtweise zu einem Bauteil aufgetragen wird. Hier will John Banharts Arbeitsgruppe die 3D-Röntgen­tomoskopie dazu nutzen herauszufinden, was in der kurzen Zeit des Aufschmelzens und Wiedererstarrens passiert.

Ein zweiter Schwerpunkt wird sein, die gewaltigen Datenmengen, die anfallen werden – mehrere Terabyte pro Minute –, mathematisch so zu verarbeiten, dass sie auch zu einem Erkenntnis­gewinn führen. „Da stehen wir vor einer enormen Herausforderung“, sagt John Banhart. Der dritte Schwerpunkt der Forschungen ist die Entwicklung funktionaler und transportabler experimenteller Aufbauten, mit denen die Aufnahmen am Synchrotron des Paul-Scherer-Instituts in der Schweiz gemacht werden können. John Banhart: „Wir benötigen intensives Röntgenlicht, und das wird uns nur von Synchrotrons bereitgestellt.“

TU Berlin / DE

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